CN110455429A

CN110455429A - 一种利用磁隧道结瞬时测量温度的装置及方法

Info

Publication number: CN110455429A
Application number: CN201910856433.XA
Authority: CN
Inventors: 杨杭福; 黄霞妮; 葛洪良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2019-11-15

Abstract

一种利用磁隧道结瞬时测量温度的装置及方法，包括以下步骤：利用电阻加热平台，测量磁隧道结磁电阻随着温度的变化曲线，计算得到温度电阻系数；通过高频采样示波器，测量磁电阻在激光脉冲下的磁电阻信号，利用测得的温度电阻系数，将电阻信号转化为温度变化信号。本发明所采样的测量装置与方法具有皮秒量级的时间分辨率，同时测温范围广，测量准确度高，响应时间快，抗干扰性能好，操作简单，同时磁隧道结非常小，适合将磁隧道结制作成具有高空间分辨率的温度传感器，应用广泛。

Description

一种利用磁隧道结瞬时测量温度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用磁隧道结测量快速准确测量瞬时温度的测量方法，属于温度传感技术领域。

背景技术

近年来，温度传感器发展迅速，市场快速上升，几乎占了整个传感器总需求量的40%，尤其是汽车电子、消费电子和加工工业的迅猛增长带来了温度传感器需求的大幅增加，如根据MarketsandMarkets公司的分析和预测，温度传感器市场在2014年至2020年间将以5.11%的复合年均增长率增加，并且在2020年其总量将达到60.5亿美元。目前我国温度传感器只有中低档产品基本满足市场需求，产品品种满足率在60%-70%左右。但从行业产品结构看，老产品比例占60%以上，新产品明显不足，高新技术类产品更少；同时数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。

随着电子器件的快速小型化，热耗散与热传导变得愈加重要，正成为电子器件的进一步小型化的限制因素以及基础研究领域的关键因素，自旋热点学的兴起，需要对纳米薄膜的温度以及周边环境温度的需要准确掌握，所要求的测量方法的更加准确、快速、并且有更高的空间分辨率。研究表明，基于Julliere的自旋极化直接弹性隧穿模型(spin-polarized direct elastic tunneling model), 磁隧道结的电导G=1/R随着温度T的变化存在以下关系：

其中+与-分别表示低电阻态（P）与高电阻态（AP），G ₀(T)=G ₀ CT/sin(CT)是直接弹性隧穿的前置系数，G ₀是T=0 K时的电导率，C是常数，P(T)是MTJ中磁性薄膜的自旋极化率。随着MTJ制备技术不断提高，具有高质量薄膜和高TMR的MTJ的电导在AP态时，它的电导率是随着温度变化的，特别是在室温附近，基本呈线性，但在P态下，电导率基本不随温度变化。由于MTJ磁电阻主要是由自由层、绝缘层与参考层决定，对于具有高TMR的MTJ,它的磁电阻随着温度的变化关系，主要由这三层决定。这个变化规律为直接测量MTJ中纳米磁性层的温度变化提供了依据。因此本发明对国内高端传感器的发展有着帮助作用，同时，能够推动自旋热电子学等基础研究的发展。。

发明内容

本发明的目的提供一种利用磁隧道结快速准确测量温度的测量方法。

本发明的测量装置及示意图如图1所示：

皮秒级瞬时温度的测量步骤如下：

一、选取合适的磁隧道结（MTJ），其结构主要包括：以氧化镁或者氧化铝为绝缘层，CoFeB为磁性自由层和参考层，以CoFe为反铁磁层，以及保护层和连接层；以Ru, Ta, Cu等的一层或多层作为保护层；以Cu, Ta, CuN等的一层或多层作为连接层；磁隧道结的隧穿磁电阻（TMR）大于等于100%；

二、获得温度电阻系数，将磁隧道结置于电阻加热平台之上，利用Keithley 2400测量MTJ在高电阻态时磁电阻与温度变化关系，获得电阻温度系数：α=ΔR/ΔT;ΔR为的磁电阻变化（R-R ₀）变化；ΔT为电阻加热平台温度（T-T ₀）的变化，以室温23 ^oC（T ₀）时的电阻作为基准电阻（R ₀），此过程中Keithley所加电流为0.5到3 mA；

三、利用钛红宝石激光器激发的飞秒激光脉冲，聚焦于磁隧道结样品表面，利用高频采样示波器测量MTJ在高电阻态时瞬时变化的磁电阻信号，此过程中Keithley在磁隧道结中施加的电流与步骤2中测量温度电阻系数在磁隧道结中施加的电流大小相同；

四、利用温度电阻系数，将瞬时磁电阻信号转化为瞬时变化的温度信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）使用本发明的温度测量装置及方法，测量精度更高，具有皮秒量级的时间分辨率，能够准确实时监控磁隧道及周围温度的变化，对传感器具有重要的意义；

（2）磁隧道结非常小，通常只有几百纳米至几微米，可作为高时间与空间分辨率的温度传感器。

附图说明

图1，测量方法示意图。1磁隧道结MTJ，2为电流源，3为高频采样示波器， 4 为加热平台，其材料为Cu或者Al，5加热电阻丝， 6为Pt100温度传感器。

图2，（a）为在飞秒激光脉冲下，测得的MTJ隧穿磁电阻隧时间的变化曲线，（b）为在激光脉冲下，磁隧道结的瞬时温度变化。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及对比例对本发明作进一步阐述。

实施例1，以200 nm×400 nm的磁隧道结作为温度传感器为例，如图1所示，先将磁隧道结置于的电阻加热平台，利用镍铬电阻丝，将平台逐渐加热到100^oC，并测量平台温度和磁隧道的磁电阻，利用Keithley 2400测量MTJ在高电阻态时磁电阻与温度变化关系，获得电阻温度系数：α=ΔR/ΔT，ΔR为的磁电阻变化（R-R ₀）变化，ΔT为电阻加热平台温度（T-T ₀）的变化，以室温23 ^oC（T ₀）时的电阻作为基准电阻（R ₀），此过程中Keithley所加电流为2 mA，所获α为78 mΩ/K；利用钛红宝石激光器激发的飞秒激光脉冲，聚焦于磁隧道结样品表面，利用高频采样示波器测量MTJ在高电阻态时瞬时变化的磁电阻信号，此过程中Keithley在磁隧道结中施加的电流仍然为2 mA，飞秒激光的强度为400 mW,所测得的在激光脉冲下磁隧道结磁电阻的变化如图2（a）所示，利用温度系数α，将测得的磁电阻信号转化为温度变化信号，如图2（b）所示，所获得的温度信号具有皮秒级别的时间分辨率。

Claims

1. 一种利用磁隧道结瞬时测量温度的装置及方法, 其特征在于磁隧道结（MTJ）的结构主要包括：以氧化镁或者氧化铝为绝缘层，CoFeB为磁性自由层和参考层，以CoFe为反铁磁层，以及保护层和连接层；保护层其特征在于，以Ru, Ta, Cu等的一层或多层作为保护层；连接层以Cu, Ta, CuN等的一层或多层作为连接层；所述磁隧道结的隧穿磁电阻（TMR）大于等于100%。

2.一种利用磁隧道结瞬时测量温度的装置及方法, 其特征在于所述装置包括飞秒激光器、电阻加热平台、高频采样示波器（DSA8300）以及电流源（Keithley 2400），以飞秒激光器产生的飞秒激光脉冲作为加热源，以电加热平台获得温度电阻系数，以高频采样示波器以及电流源作为测量设备；所使用的电阻加热平台，其特征在于所使用的电阻加热丝为镍铬电阻丝或者钨丝，直径为2mm, 所使用的电阻温度测温器件为Pt100; 电阻加热平台能达到的温度为100^oC。

3.一种利用磁隧道结瞬时测量温度的装置及方法,其特征在于所采用的测量方法包含以下步骤：1）获得温度电阻系数，将磁隧道结置于电阻加热平台之上，利用Keithley 2400测量在MTJ在高电阻态时磁电阻与温度变化关系，获得电阻温度系数：α=ΔR/ΔT;ΔR为磁隧道结磁电阻（R-R ₀）的变化；ΔT为电阻加热平台温度（T-T ₀）的变化，以室温23 ^oC（T ₀）时的电阻作为基准电阻（R ₀）；2）将飞秒激光脉冲聚焦于磁隧道结样品表面，采用高频采样示波器测量MTJ在高电阻态时瞬时变化的磁电阻信号；3）利用获得的温度电阻系数，将瞬时磁电阻信号转化为瞬时温度变化信号。

4.根据权利要求2所述的，飞秒激光器为钛红宝石激光器或其他飞秒激光器。

5.根据权利要求3所述的，在测量MTJ磁电阻的过程中，使用Keithley 2400在MTJ中施加一个直流电流，电流的大小为0.5到3 mA；采用2线法测量MTJ的磁电阻。